EP4369593A1 - Kompensationsvorrichtung zur reduzierung von einer oder mehreren oberschwingungen in einer elektrischen maschine - Google Patents

Kompensationsvorrichtung zur reduzierung von einer oder mehreren oberschwingungen in einer elektrischen maschine Download PDF

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EP4369593A1
EP4369593A1 EP22206521.1A EP22206521A EP4369593A1 EP 4369593 A1 EP4369593 A1 EP 4369593A1 EP 22206521 A EP22206521 A EP 22206521A EP 4369593 A1 EP4369593 A1 EP 4369593A1
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EP
European Patent Office
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compensation device
harmonic
electrical machine
connection terminals
electrical
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP22206521.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Benjamin Balke
Matthias Centner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
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Priority to EP23786183.6A priority patent/EP4616524A1/de
Priority to PCT/EP2023/075937 priority patent/WO2024099629A1/de
Priority to KR1020257015783A priority patent/KR20250088581A/ko
Priority to CN202380078350.7A priority patent/CN120188381A/zh
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using DC to AC converters or inverters
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    • H02P6/10—Arrangements for controlling torque ripple, e.g. providing reduced torque ripple

Definitions

  • the invention relates to a compensation device for an electrical machine.
  • the invention also relates to an electrical drive with such a compensation device and an electrical machine.
  • the invention further relates to a method for controlling or regulating such a compensation device or such an electrical drive.
  • harmonic waves In addition to the fundamental wave that generates torque, the magnetic field in an electrical machine often has additional harmonics, also known as harmonic waves. These harmonics produce undesirable side effects such as losses or forces that can excite vibrations. These vibrations generate airborne and/or structure-borne noise, which is subject to certain limit values depending on the order. Compliance with these limit values can be a considerable technical difficulty.
  • the electrical machine is often supplied with electrical energy by a power converter.
  • the power converter often forms the actuator to control or regulate the electrical machine, for example in terms of speed or torque.
  • the power converter generates harmonics in its output voltage and output current, which cause harmonics in the magnetic field.
  • Motors and generators are examples of electrical machines.
  • the invention is based on the object of improving an electric drive.
  • a compensation device for an electrical machine wherein the compensation device has an energy source, wherein the energy source is set up to generate an electrical signal, in particular a voltage or a current, which counteracts the harmonic depending on measured values from a sensor for determining at least one harmonic.
  • an electrical drive having such a compensation device, an electrical machine and a sensor for determining at least one harmonic, in particular a harmonic of the current or the voltage, at connection terminals of the electrical machine, wherein the compensation device is connected to the connection terminals of the electrical machine.
  • This object is further achieved by a method for controlling or regulating such a compensation device or such an electrical drive, wherein at least one harmonic is determined at the connection terminals of the electrical machine, wherein an electrical signal, in particular a voltage or a current, is generated by means of the compensation device, which counteracts the harmonic at the connection terminals of the electrical machine.
  • the invention is based, among other things, on the finding that the situation of harmonics and the associated losses and noise in an electrical machine can be improved by using a compensation device connected to the electrical machine or integrated into the electrical drive. This can prevent harmonics from occurring by preventing the formation of the harmonic, for example due to a harmonic in the voltage and/or current at the connection terminals of the electrical machine.
  • a sensor in the compensation device measures the harmonics at the connection terminals of the electrical machine. Harmonics of the current and/or voltage can be measured at the connection terminals. These provide information about the harmonics of the magnetic field in the electrical machine, which not only generates losses but also noise.
  • the compensation device couples an electrical signal, for example a voltage or a current, into the electrical drive, which is aligned in terms of phase position in such a way that this signal counteracts the harmonic measured by the sensor.
  • additional force waves can be excited or generated by the targeted application of a current in the form of a current harmonic with a defined phase position and amplitude or a voltage in the form of a voltage harmonic with a defined phase position and amplitude.
  • the phase position and amplitude of these additional force waves are controlled or regulated in such a way that they counteract existing force waves, i.e. compensate for them or at least reduce them. This procedure is particularly advantageous for force waves with an atomic number of 0.
  • Such a compensation device advantageously has microprocessor-controlled electronics that provide the desired electrical signal at the appropriate signal strength.
  • This device is arranged either in series with the connection terminals of the electrical machine, so that the compensation device acts as an additional voltage source, or in parallel with the connection terminals of the electrical machine, so that the compensation device works as a current source.
  • inductive coupling of the signal is recommended.
  • Bandpass filters similar to those used in power line communication, are suitable for decoupling from the fundamental oscillation.
  • the compensation device also offers the advantage of being able to be subsequently integrated into existing electric drives. In other words, the compensation device has the property of easy retrofitting.
  • the compensation device has a filter, in particular a bandpass filter.
  • a filter for coupling the harmonic with the aid of the electrical signal, it has proven to be advantageous if the energy source for the coupling does not also have to generate the fundamental oscillation or possibly other harmonics in order to couple the electrical signal of the harmonic.
  • the need to generate the fundamental oscillation arises in part because an exchange of currents with the fundamental oscillation is to be prevented.
  • a filter in the compensation device which reliably prevents the formation of fundamental oscillation currents between the compensation device and the electrical machine. On the one hand, this increases the control reserve of the compensation device, since the fundamental oscillation is not generated by the compensation device.
  • control is also simpler, since then not only the fundamental oscillation is generated, but also has to be switched on in the correct phase.
  • these measures can be dispensed with.
  • the requirements for the electrical performance of the electrical components of the compensation device and for the control system are reduced.
  • the control reserve i.e. the ability to counteract disturbances, is increased.
  • the energy source is designed as a voltage source and is arranged in a series connection to the connection terminals of the electrical machine.
  • the voltage of the energy supply and the compensation device add up to a total voltage that is present at the terminals of the electrical machine.
  • a harmonic in the voltage of the energy supply can be counteracted.
  • the corresponding harmonic which is contained in the voltage of the power supply and causes the harmonic in the electrical machine, for example due to a switching frequency of a supplying power converter, is compensated by the compensation device in such a way that this harmonic is generated by the compensation device in the form of a voltage with the opposite sign, i.e. with a phase shift of 180°.
  • This generated voltage is superimposed on the harmonic of the power supply due to the series connection, so that this harmonic is no longer present at the connection terminals of the electrical machine.
  • the voltage of the compensation device can be coupled in directly or via a transformer, for example.
  • the energy source is designed as a current source and is arranged in a parallel circuit to the connection terminals of the electrical machine.
  • the currents of the energy supply and the compensation device add up to a total current that flows into the electrical machine via the connection terminals. This current can therefore also be referred to as the current at the electrical connection terminals.
  • a harmonic in the current of the energy supply can be counteracted.
  • the corresponding harmonic from the energy supply which flows as current into the electrical machine, for example due to a switching frequency of a supplying power converter, is compensated by the compensation device in such a way that this harmonic is generated by the compensation device in the form of a current with the opposite sign, i.e. with a phase shift of 180°. Due to the parallel circuit, this generated current is superimposed on the harmonic of the energy supply, so that this harmonic is no longer present at the connection terminals of the electrical machine.
  • the energy source is connected to the connection terminals of the electrical machine via an inductive coupling, in particular via a transformer.
  • an inductive coupling in particular via a transformer.
  • currents and voltages can be easily coupled into the electrical machine or generally into the electrical drive.
  • the existing currents and voltages can be adjusted via a transformer as an inductive coupling element, so that the compensation device can be operated at a favorable operating point.
  • Good utilization of the semiconductors with regard to blocking voltage and current carrying capacity is also possible.
  • the inductive coupling reliably prevents ground currents that can disrupt the function of the drive. Coupling via an inductive coupling thus enables reliable operation and efficient operation.
  • the electric drive comprises a power converter, the connection terminals of the electric machine being connected to the power converter.
  • the electric machine is powered by a power converter.
  • the power converter With the help of the power converter, the electric machine can be regulated or controlled in terms of speed and torque. This enables the widespread use of such drives in many applications.
  • the power converter also generates harmonics, in particular harmonics in the current and/or voltage of the motor, which can lead to losses and noise.
  • the compensation device an electric drive with good controllability and regulation can be realized, which also has a high dynamic range.
  • the disadvantage of the harmonics generated by the power converter and the associated losses and noise can be eliminated with the help of the compensation device. In this way, a converter-fed, low-loss and low-noise electric drive can be realized in a particularly simple and cost-effective manner.
  • the harmonics are high due to low reactances. This leads to significant losses and perceptible noises, which can be easily eliminated by the compensation device.
  • the sensor of the compensation device is able to detect small amplitudes and their phase position sufficiently accurately and reliably, even with high operating currents.
  • a harmonic with 25 times the frequency of the fundamental oscillation is determined and reduced by an electrical signal from the compensation device. It has been shown that such a frequency is perceived as particularly disturbing and thus eliminating this noise is particularly advantageous.
  • the harmonic is determined in the range of the switching frequency and/or in the range of a multiple of the switching frequency of the power converter.
  • the range of the switching frequency of a supplying power converter is usually the significant portion of the existing harmonic that generates losses and noise. This means that a search for the relevant frequency range can be dispensed with.
  • the sensor only determines harmonics with frequencies in the range of the switching frequency or in the range of a multiple of the switching frequency.
  • the range defines the range that results from the switching frequency or a multiple of the switching frequency. minus the fundamental frequency to the switching frequency or a multiple plus the fundamental frequency.
  • the harmonic can be determined particularly easily, since the frequency range to be analyzed is chosen to be correspondingly small. This simplifies the evaluation and the determination of the harmonic to be compensated. This means that compensation with particularly low computational effort can be achieved even with a simple control device.
  • FIG 1 shows an electric drive 10.
  • This has an electric machine 2, which is supplied with electrical energy by a power supply 7.
  • the electric drive 10 can optionally have a power converter 11.
  • a compensation device 1 is used to eliminate disturbing harmonics at terminals 21 of the electric machine 2, which lead to undesirable noises or electrical losses.
  • the harmonics at the connection terminals 21 of the electric machine 2 are determined or identified using a sensor 4.
  • the energy source 3 generates an electrical signal that counteracts at least one harmonic.
  • the harmonics are determined based on the current using sensor 4. This is advantageously designed as a current sensor. Alternatively, it is also possible to determine the harmonics via the voltage using a voltage converter between the phases or against a reference potential. Measured values of the sensor 4 are transmitted to the compensation device 1.
  • the energy source 3 is designed as a voltage source 31. This is arranged in a series connection to the connection terminals 21 of the electrical machine 2, so that the voltage of the energy supply 7 and the voltage of the compensation device 1 are added together and are applied to the connection terminals 21 of the electrical machine 2.
  • the power converter 11 can be used to control the electrical machine. It can control, regulate and/or monitor the speed and/or torque of the electrical machine 2.
  • the arrangement of the sensor 4 between the compensation device 1 and the electrical machine 2 is particularly advantageous because the compensation or reduction of the harmonics can be controlled. If the sensor 4 is alternatively arranged between the energy supply 7 and the compensation device 1, the compensation or reduction of the harmonics can be controlled.
  • the measured values of a data logger for controlling the electrical machine 2 can also be used simultaneously as a sensor 4 for the compensation device 1. The measured values can be transmitted directly from the data logger to the compensation device 1 or transmitted from a control module of the power converter 11 to the compensation device 1.
  • FIG 2 shows a further embodiment of a proposed electric drive 10 with the compensation device 1.
  • the energy source 3 of the compensation device 1 is designed as a voltage source 31 and is arranged in a series connection to the connection terminals 21 of the electric machine 2.
  • the statements for the arrangement of the sensor 4 and the power converter 11 also apply to the arrangement of the embodiment according to FIG 2 .
  • FIG 3 shows a further embodiment of a proposed electric drive 10 with the compensation device 1.
  • the compensation device 1 is arranged parallel to the connection terminals 21 of the electric machine 2 and also parallel to the power supply 7.
  • the currents of the power supply 7 or the power converter 11 are added to the currents of the compensation device to form a total current that flows through the electric machine 2. This current therefore also flows through the connection terminals 21 of the electric machine 2.
  • a harmonic in the current from the power supply can be compensated by a current from the compensation device 1 with the same amplitude, the same frequency and a phase shift of 180°.
  • the compensation device 1 has a filter 5. This can, for example, be designed so that it only lets through the frequency range of the harmonic to be compensated and blocks all other frequencies, such as the fundamental frequency.
  • the power converter 11 is present in this embodiment. Alternatively, this can be dispensed with by connecting the electric machine 2 directly to the power supply 7. To avoid repetition, reference is made to the description of the Figures 1 and 2 and to the reference symbols introduced there. In particular, the statements for the arrangement of the sensor 4 and the power converter 11 also apply to the arrangement of the embodiment according to FIG 2 .
  • the invention relates to a compensation device 1 for an electrical machine 2.
  • the compensation device 1 has an energy source 3, wherein the energy source is set up to generate an electrical signal, in particular a voltage or a current, which counteracts the harmonic depending on measured values of a sensor 4 for determining at least one harmonic.
  • the invention further relates to an electrical drive 10, having such a compensation device 1, an electrical machine 2 and a sensor for determining at least one harmonic at connection terminals 21 of the electrical machine 2, wherein the compensation device 1 is connected to the connection terminals 21 of the electrical machine 2.
  • the invention relates to a method for controlling or regulating such a compensation device 1 or such an electric drive 10, wherein at least one harmonic is determined at the connection terminals 21 of the electric machine 2, wherein by means of the compensation device 1 an electrical signal is generated which counteracts the harmonic at the connection terminals 21 of the electric machine 2.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Ac Motors In General (AREA)
  • Power Conversion In General (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kompensationsvorrichtung (1) für eine elektrische Maschine (2). Zur Verbesserung eines elektrischen Antriebs wird vorgeschlagen, dass die Kompensationsvorrichtung (1) eine Energiequelle (3) aufweist, wobei die Energiequelle eingerichtet ist, in Abhängigkeit von Messwerten eines Sensors (4) zur Bestimmung von mindestens einer Oberschwingung ein elektrisches Signal, insbesondere eine Spannung oder einen Strom, zu erzeugen, das der Oberschwingung entgegenwirkt. Die Erfindung betrifft weiter einen elektrischen Antrieb (10), aufweisend eine derartige Kompensationsvorrichtung (1), eine elektrische Maschine (2) und einen Sensor zur Bestimmung von mindestens einer Oberschwingung an Anschlussklemmen (21) der elektrischen Maschine (2), wobei die Kompensationsvorrichtung (1) mit den Anschlussklemmen (21) der elektrischen Maschine (2) verbunden ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung oder Regelung einer derartigen Kompensationsvorrichtung (1) oder eines derartigen elektrischen Antriebs (10), wobei mindestens eine Oberschwingung an den Anschlussklemmen (21) der elektrischen Maschine (2) bestimmt wird, wobei mittels der Kompensationsvorrichtung (1) ein elektrisches Signal erzeugt wird, das der Oberschwingung an den Anschlussklemmen (21) der elektrischen Maschine (2) entgegenwirkt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Kompensationsvorrichtung für eine elektrische Maschine. Ferner betrifft die Erfindung einen elektrischen Antrieb mit einer derartigen Kompensationsvorrichtung und einer elektrischen Maschine. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Steuerung oder Regelung einer derartigen Kompensationsvorrichtung oder eines derartigen elektrischen Antriebs.
  • Das magnetische Feld in einer elektrischen Maschine weist neben der drehmomenterzeugenden Grundwelle oftmals zusätzliche Oberschwingungen, auch als Oberwellen bezeichnet, auf. Diese Oberschwingungen erzeugen unerwünschte Nebenwirkungen wie beispielsweise Verluste oder Kräfte, die Schwingungen anregen können. Diese Schwingungen erzeugen Luft- und/oder Körperschall, der auftragsspezifisch bestimmten Grenzwerten unterworfen ist. Die Einhaltung dieser Grenzwerte stellt eine zum Teil erhebliche technische Schwierigkeit dar.
  • Die elektrische Maschine wird oftmals durch einen Stromrichter mit elektrischer Energie versorgt. Dabei bildet der Stromrichter häufig des Stellglied, um die elektrische Maschine beispielsweise hinsichtlich Drehzahl oder Drehmoment zu steuern oder zu regeln. Dabei erzeugt der Stromrichter Oberschwingungen in seiner Ausgangsspannung und seinem Ausgangsstrom, die Oberwellen im magnetischen Feld verursachen. Motoren und Generatoren sind Beispiele für elektrische Maschinen.
  • Da eine exakte Vorherberechnung der aus teilweise parasitären Feldwellen resultierenden Schwingungs- und Geräuschpegel oftmals nur schwer möglich ist, sind im Nachhinein, also nach Auslegung und Herstellung der elektrischen Maschine bzw. des elektrischen Antriebs, nur aufwändige mechanische Abhilfemaßnahmen wie beispielsweise spezielle Dämpfungselemente möglich. Eine weitere Abhilfe stellt eine möglichst steife und damit schwere mechanische Konstruktion dar.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Antrieb zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Kompensationsvorrichtung für eine elektrische Maschine gelöst, wobei die Kompensationsvorrichtung eine Energiequelle aufweist, wobei die Energiequelle eingerichtet ist, in Abhängigkeit von Messwerten eines Sensors zur Bestimmung von mindestens einer Oberschwingung ein elektrisches Signal, insbesondere eine Spannung oder einen Strom, zu erzeugen, das der Oberschwingung entgegenwirkt. Ferner wird diese Aufgabe durch einen elektrischen Antrieb aufweisend eine derartige Kompensationsvorrichtung, eine elektrische Maschine und einen Sensor zur Bestimmung von mindestens einer Oberschwingung, insbesondere einer Oberschwingung des Stroms oder der Spannung, an Anschlussklemmen der elektrischen Maschine gelöst, wobei die Kompensationsvorrichtung mit den Anschlussklemmen der elektrischen Maschine verbunden ist. Diese Aufgabe wird weiter durch ein Verfahren zur Steuerung oder Regelung einer derartigen Kompensationsvorrichtung oder eines derartigen elektrischen Antriebs gelöst, wobei mindestens eine Oberschwingung an den Anschlussklemmen der elektrischen Maschine bestimmt wird, wobei mittels der Kompensationsvorrichtung ein elektrisches Signal, insbesondere eine Spannung oder ein Strom, erzeugt wird, das der Oberschwingung an den Anschlussklemmen der elektrischen Maschine entgegenwirkt.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Der Erfindung liegt unter anderem die Erkenntnis zugrunde, dass sich die Situation der Oberschwingungen und die damit einhergehenden Verluste und Geräusche in einer elektrischen Maschine dadurch verbessern lässt, dass eine Kompensationsvorrichtung mit der elektrischen Maschine verbunden oder in den elektrischen Antrieb integriert wird. Dadurch können entstehende Oberschwingungen vermieden werden, indem die Ausbildung der Oberschwingung beispielsweise aufgrund einer Oberschwingung in der Spannung und/oder dem Strom an den Anschlussklemmen der elektrischen Maschine verhindert wird.
  • Dabei misst ein Sensor der Kompensationsvorrichtung die Oberschwingungen an den Anschlussklemmen der elektrischen Maschine. Dabei können Oberschwingungen des Stroms und/oder der Spannung an den Anschlussklemmen gemessen werden. Diese geben Aufschluss über die Oberschwingungen des magnetischen Feldes in der elektrischen Maschine, das nicht nur Verluste erzeugt, sondern auch Geräusche.
  • Es hat sich gezeigt, dass durch die Verringerung mindestens einer Oberschwingung von Strom und/oder Spannung sich auch die Verluste und gleichzeitige die Geräusche der elektrischen Maschine reduzieren lassen. Mittels der Kompensationsvorrichtung wird ein elektrisches Signal, beispielsweise eine Spannung oder ein Strom, in den elektrischen Antrieb eingekoppelt, die von der Phasenlage derart ausgerichtet ist, dass dieses Signal der mittels des Sensors gemessenen Oberschwingung entgegenwirkt.
  • Es hat sich darüber hinaus gezeigt, dass durch die gezielte Einprägung von einem Strom in Form einer Stromoberwelle mit definierter Phasenlage und Amplitude bzw. einer Spannung in Form einer Spannungsoberwelle mit definierter Phasenlage und Amplitude zusätzliche Kraftwellen angeregt bzw. erzeugt werden können. Die Phasenlage und Amplitude dieser zusätzlichen Kraftwellen wird so gesteuert oder geregelt, dass sie bereits vorhandenen Kraftwellen entgegenwirken, diese also kompensieren oder zumindest reduzieren. Besonders vorteilhaft ist dieses Vorgehen auf Kraftwellen mit einer Ordnungszahl 0.
  • Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, genau eine Oberschwingung mittels des Sensors zu bestimmen und diese durch das elektrische Signal zu kompensieren oder zumindest zu reduzieren. Dies erfordert nur einen geringen Stellaufwand und die Kompensationsvorrichtung kann besonders klein und effizient betrieben werden. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass sich mit nur einer Oberwelle sowohl die Verluste als auch das Geräuschverhalten zum Teil schon signifikant verbessern lassen. So kann auf die Kompensation bzw. Verringerung weiterer Oberschwingungen zugunsten einer kleinen und effizient betreibbaren Kompensationsvorrichtung verzichtet werden. Allerdings ist es auch möglich, mehrere Oberschwingungen zu bestimmen und mit Hilfe der Kompensationsvorrichtung zu beseitigen oder zu verringern. Dies bietet die Möglichkeit, auch besonders strenge Anforderungen an das Verlust- oder das Geräuschverhalten einer elektrischen Maschine oder eines gesamten elektrischen Antriebs zu erfüllen. Auch in diesem Fall kann die Kompensationsvorrichtung auf eine bestimmte Anzahl von Oberschwingungen einfach und kostengünstig ausgelegt werden. Darüber hinaus ist es möglich, Auslegungsreserven für die Kompensation weiterer Oberschwingungen zu nutzen.
  • Eine solche Kompensationsvorrichtung weist in vorteilhafter Weise eine Mikroprozessor-gesteuerte Elektronik auf, die das gewünschte elektrische Signal in der entsprechenden Signalstärke zur Verfügung stellt. Die Anordnung dieses Geräts erfolgt entweder in Reihenschaltung zu den Anschlussklemmen der elektrischen Maschine, so dass die Kompensationsvorrichtung als zusätzliche Spannungsquelle wirkt oder parallel zu den Anschlussklemmen der elektrischen Maschine, so dass die Kompensationsvorrichtung als Stromquelle arbeitet. Es bietet sich prinzipiell eine induktive Einkopplung des Signals an. Zur Entkopplung von der Grundschwingung bieten sich BandpassFilter an, ähnlich den in der Power-Line-Communication verwendeten.
  • Die Kompensationsvorrichtung bietet darüber hinaus den Vorteil, in bestehende elektrische Antriebe nachträglich integriert zu werden. Mit anderen Worten besitzt die Kompensationsvorrichtung die Eigenschaft einer leichten Nachrüstbarkeit.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Kompensationsvorrichtung ein Filter, insbesondere ein Bandpassfilter, auf. Für die Einkopplung der Oberschwingung mit Hilfe des elektrischen Signals hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Energiequelle für die Einkopplung nicht auch noch die Grundschwingung oder ggf. weitere Oberschwingungen aufbringen muss, um das elektrische Signal der Oberschwingung einzukoppeln. Die Notwendigkeit, die Grundschwingung aufzubringen ergibt sich teilweise dadurch, dass ein Austausch an Strömen mit der Grundschwingung verhindert werden soll. Dies ist auch durch ein Filter der Kompensationsvorrichtung möglich, welches die Ausbildung von Grundschwingungsströmen zwischen der Kompensationsvorrichtung und der elektrischen Maschine zuverlässig verhindert. Dies erhöht zum einen die Stellreserve der Kompensationsvorrichtung, da die Grundschwingung nicht von der Kompensationsvorrichtung aufgebracht wird. Zum anderen wird auch die Regelung einfacher, da dann nicht nur die Grundschwingung erzeugt wird, sondern auch phasenrichtig aufgeschaltet werden müsste. Durch die Verwendung eines Filters kann auf diese Maßnahmen verzichtet werden. Gleichzeitig reduzieren sich die Anforderungen an die elektrische Leistungsfähigkeit der elektrischen Komponenten der Kompensationsvorrichtung und an die Regelung. Darüber hinaus wird die Stellreserve, also das Vermögen gegen Störungen vorzugehen, vergrößert.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Energiequelle als Spannungsquelle ausgebildet und in einer Reihenschaltung zu den Anschlussklemmen der elektrischen Maschine angeordnet. Bei der Reihenschaltung addieren sich die Spannung der Energieversorgung und der Kompensationsvorrichtung zu einer Gesamtspannung, die an den Klemmen der elektrischen Maschine anliegt. Durch ein Einbringen einer Spannung durch die Kompensationsvorrichtung kann einer Oberschwingung in der Spannung der Energieversorgung entgegengewirkt werden. Die entsprechende Oberschwingung, die in der Spannung der Energieversorgung enthalten ist und die Oberschwingung in der elektrischen Maschine bewirkt, beispielsweise aufgrund einer Schaltfrequenz eines speisenden Stromrichters, wird derart durch die Kompensationsvorrichtung kompensiert, dass diese Oberschwingung in Form einer Spannung mit entgegengesetztem Vorzeichen, d.h. mit einer Phasenverschiebung von 180°, durch die Kompensationsvorrichtung erzeugt wird. Diese erzeugte Spannung überlagert sich aufgrund der Reihenschaltung mit der Oberschwingung der Energieversorgung, so dass diese Oberschwingung an den Anschlussklemmen der elektrischen Maschine nicht mehr vorhanden ist. Die Einkopplung der Spannung der Kompensationsvorrichtung kann dabei beispielsweise direkt oder über einen Transformator erfolgen.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Energiequelle als Stromquelle ausgebildet und in einer Parallelschaltung zu den Anschlussklemmen der elektrischen Maschine angeordnet. Bei der Parallelschaltung addieren sich die Ströme der Energieversorgung und der Kompensationsvorrichtung zu einem Gesamtstrom, der über die Anschlussklemmen in die elektrische Maschine fließt. Daher kann dieser Strom auch als Strom an den elektrischen Anschlussklemmen bezeichnet werden. Durch ein Einbringen eines Stroms durch die Kompensationsvorrichtung kann einer Oberschwingung in dem Strom der Energieversorgung entgegengewirkt werden. Die entsprechende Oberschwingung aus der Energieversorgung, die als Strom in die elektrische Maschine fließt, beispielsweise aufgrund einer Schaltfrequenz eines speisenden Stromrichters, wird derart durch die Kompensationsvorrichtung kompensiert, dass diese Oberschwingung in Form eines Stroms mit entgegengesetztem Vorzeichen, d.h. mit einer Phasenverschiebung von 180°, durch die Kompensationsvorrichtung erzeugt wird. Dieser erzeugte Strom überlagert sich aufgrund der Parallelschaltung mit der Oberschwingung der Energieversorgung, so dass diese Oberschwingung an den Anschlussklemmen der elektrischen Maschine nicht mehr vorhanden ist.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Energiequelle über eine induktive Kopplung, insbesondere über einen Transformator, mit den Anschlussklemmen der elektrischen Maschine verbunden. Mit Hilfe der induktiven Kopplung können Ströme und Spannungen auf einfache Weise in die elektrische Maschine oder allgemein in den elektrischen Antrieb eingekoppelt werden. Über einen Transformator als induktives Koppelelement können die vorhandenen Ströme und Spannungen angepasst werden, so dass die Kompensationsvorrichtung in einem günstigen Arbeitspunkt betrieben werden kann. Auch ist eine gute Ausnutzung der Halbleiter in Hinblick auf Sperrspannung und Stromtragfähigkeit möglich. Des Weiteren werden durch die induktive Kopplung Erdströme zuverlässig vermieden, die den Antrieb in seiner Funktion stören können. Die Einkopplung über eine induktive Kopplung ermöglicht damit einen zuverlässigen Betrieb und effizienten Betrieb.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst der elektrische Antrieb einen Stromrichter, wobei die Anschlussklemmen der elektrischen Maschine mit dem Stromrichter verbunden sind. Bei einer Vielzahl von Anwendungen wird die elektrische Maschine von einem Stromrichter gespeist. Mit Hilfe des Stromrichters kann die elektrische Maschine hinsichtlich Drehzahl und Moment geregelt oder gesteuert werden. Dies ermöglicht den breiten Einsatz solcher Antriebe in vielen Anwendungen. Der Stromrichter erzeugt allerdings auch Oberschwingungen, insbesondere Oberschwingungen in Strom und/oder Spannung des Motors, die zu Verlusten und Geräuschen führen können. Mit Hilfe der Kompensationsvorrichtung kann ein elektrischer Antrieb mit guter Steuerbarkeit und Regelbarkeit realisiert werden, der darüber hinaus eine hohe Dynamik aufweist. Der Nachteil der durch den Stromrichter erzeugten Oberschwingungen und den damit einhergehenden Verlusten und Geräuschen kann mit Hilfe der Kompensationsvorrichtung beseitigt werden. Somit lässt sich auf besonders einfache und kostengünstige Weise ein stromrichtergespeister, verlust- und geräuscharmer, elektrischer Antrieb realisiert werden.
  • Gerade wenn der elektrische Antrieb und damit der Stromrichter für den Betrieb mit einer hohen Leistung, insbesondere für eine Leistung größer 1 MW, ausgelegt ist, ist die Oberschwingung aufgrund geringer Reaktanzen hoch. Dies führt zu deutlichen Verlusten und wahrnehmbaren Geräuschen, die auf einfache Weise durch die Kompensationsvorrichtung beseitigt werden können. Der Sensor der Kompensationsvorrichtung ist in der Lage, auch bei großen Betriebsströmen kleine Amplituden und ihre Phasenlage hinreichend genau und zuverlässig zu erfassen.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine Oberschwingung mit dem 25-fachen der Frequenz der Grundschwingung bestimmt und durch ein elektrisches Signal der Kompensationsvorrichtung verringert. Es hat sich gezeigt, dass eine derartige Frequenz als besonders störend wahrgenommen wird und somit eine Beseitigung dieser Geräusche besonders vorteilhaft ist. Zur Kompensation dieser Kraftwelle mit der räumlichen Ordnungszahl 0 und einer Kreisfrequenz 24ω1 kann also z.B. eine zusätzliche Schwingung mit ω2=25ω1 eingeprägt werden. Die Phasenlage muss dann so eingestellt werden, dass sich durch Gegenphasigkeit eine Auslöschung der Oberschwingung ergibt.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung zur Steuerung oder Regelung eines elektrischen Antriebs mit einem Stromrichter wird die Oberschwingung im Bereich der Schaltfrequenz und/oder im Bereich eines Vielfachen der Schaltfrequenz des Stromrichters bestimmt. Der Bereich der Schaltfrequenz eines speisenden Stromrichters ist meist der signifikante Anteil der vorhandenen Oberschwingung, der Verluste und Geräusche erzeugt. Somit kann auf eine Suche des relevanten Frequenzbereichs verzichtet werden. Es werden mittels des Sensors nur Oberschwingungen mit Frequenzen im Bereich der Schaltfrequenz oder im Bereich eines Vielfachen der Schaltfrequenz bestimmt. Mit dem Bereich ist der Bereich definiert, der sich aus der Schaltfrequenz bzw. eines Vielfachen abzüglich der Grundfrequenz bis zur Schaltfrequenz bzw. eines Vielfachen plus Grundfrequenz ergibt. Auf diese Weise kann eine besonders einfache Ermittlung der Oberschwingung durchgeführt werden, da der zur analysierende Frequenzbereich entsprechend klein gewählt ist. Dies vereinfacht die Auswertung und die Bestimmung der zu kompensierenden Oberschwingung. Damit kann eine besonders rechenarme Kompensation auch mit einer einfachen Regelvorrichtung erzielt werden.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
    • FIG 1 bis FIG 3
    Ausführungsbeispiele eines elektrischen Antriebs mit einer vorgeschlagenen Kompensationsvorrichtung
  • FIG 1 zeigt einen elektrischen Antrieb 10. Dieser weist eine elektrische Maschine 2 auf, die von einer Energieversorgung 7 mit elektrischer Energie versorgt wird. Zur Steuerung und/oder Regelung der elektrischen Maschine kann optional der elektrische Antrieb 10 einen Stromrichter 11 aufweisen. Zur Beseitigung von störenden Oberschwingungen an Klemmen 21 der elektrischen Maschine 2, die zu unerwünschten Geräuschen oder elektrischen Verlusten führen, dient ein Kompensationsvorrichtung 1. Dazu werden mit einem Sensor 4 die Oberschwingungen an den Anschlussklemmen 21 der elektrischen Maschine 2 ermittelt bzw. bestimmt. In Abhängigkeit von diesen Messwerten wird durch die Energiequelle 3 ein elektrisches Signal erzeugt, das mindestens einer Oberschwingung entgegenwirkt.
  • In diesem Ausführungsbeispiel wird die Oberschwingung anhand des Stroms mittels des Sensors 4 bestimmt. Dieser ist vorteilhafterweise als Stromsensor ausgebildet. Alternativ ist beispielsweise auch die Bestimmung der Oberschwingungen über die Spannung mit Hilfe eines Spannungswandlers zwischen den Phasen oder gegenüber einem Bezugspotential möglich. Die Messwerte des Sensors 4 werden an die Kompensationsvorrichtung 1 übertragen.
  • In diesem Ausführungsbeispiel ist die Energiequelle 3 als Spannungsquelle 31 ausgebildet. Diese ist in einer Reihenschaltung zu den Anschlussklemmen 21 der elektrischen Maschine 2 angeordnet, so dass sich die Spannung der Energieversorgung 7 und die Spannung der Kompensationsvorrichtung 1 addieren und an den Anschlussklemmen 21 der elektrischen Maschine 2 anliegen.
  • Der Stromrichter 11 kann zur Steuerung der elektrischen Maschine verwendet werden. Dieser kann die Drehzahl und/oder das Moment der elektrischen Maschine 2 steuern, regeln und/oder überwachen.
  • Die Anordnung des Sensors 4 zwischen der Kompensationsvorrichtung 1 und der elektrischen Maschine 2 ist besonders vorteilhaft, weil die Kompensation bzw. Reduktion der Oberschwingungen geregelt werden kann. Wird der Sensor 4 alternativ zwischen der Energieversorgung 7 und der Kompensationsvorrichtung 1 angeordnet kann die Kompensation bzw. Reduktion der Oberschwingungen gesteuert erfolgen. Darüber hinaus können auch die Messwerte eines Messwerterfassers für die Regelung der elektrischen Maschine 2 gleichzeitig als Sensor 4 für die Kompensationsvorrichtung 1 genutzt werden. Die Messwerte können dabei direkt von dem Messwerterfasser an die Kompensationsvorrichtung 1 übermittelt werden oder von einer Regelbaugruppe des Stromrichters 11 an die Kompensationsvorrichtung 1 übermittelt werden.
  • FIG 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines vorgeschlagenen elektrischen Antriebs 10 mit der Kompensationsvorrichtung 1. Auch in diesem Ausführungsbeispiel ist die Energiequelle 3 der Kompensationsvorrichtung 1 als Spannungsquelle 31 ausgebildet und in einer Reihenschaltung zu den Anschlussklemmen 21 der elektrischen Maschine 2 angeordnet. Dabei erfolgt die Anbindung der Kompensationsvorrichtung 1 an die Verbindung zwischen Energieversorgung 7 und der elektrischen Maschine 2 über eine induktive Kopplung 33 mit Hilfe eines Transformators. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf die Beschreibung zur FIG 1 sowie auf die dort eingeführten Bezugszeichen verwiesen. Insbesondere die Aussagen für die Anordnung des Sensors 4 und des Stromrichters 11 gelten auch für die Anordnung des Ausführungsbeispiels nach FIG 2.
  • FIG 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines vorgeschlagenen elektrischen Antriebs 10 mit der Kompensationsvorrichtung 1. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Kompensationsvorrichtung 1 parallel zu den Anschlussklemmen 21 der elektrischen Maschine 2 und auch parallel zu den Energieversorgung 7 angeordnet. Dabei addieren sich die Ströme der Energieversorgung 7 bzw. des Stromrichters 11 mit den Strömen der Kompensationsvorrichtung zu einem Gesamtstrom, der durch die elektrische Maschine 2 fließt. Damit fließt dieser Strom auch durch die Anschlussklemmen 21 der elektrischen Maschine 2. Eine Oberschwingung im Strom von der Energieversorgung kann durch einen Strom der Kompensationsvorrichtung 1 mit gleicher Amplitude, gleicher Frequenz und einer Phasenverschiebung von 180° kompensiert werden. In diesem Ausführungsbeispiel weist die Kompensationsvorrichtung 1 ein Filter 5 auf. Dieses kann beispielsweise so ausgelegt sein, dass es nur den Frequenzbereich der zu kompensierenden Oberschwingung durchlässt und für alle anderen Frequenzen, wie beispielsweise die Grundfrequenz sperrt.
  • Des Weiteren ist der Stromrichter 11 in diesem Ausführungsbeispiel vorhanden. Alternativ kann auf diesen verzichtet werden, indem die elektrische Maschine 2 direkt mit der Energieversorgung 7 verbunden ist. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf die Beschreibung zu den Figuren 1 und 2 sowie auf die dort eingeführten Bezugszeichen verwiesen. Insbesondere die Aussagen für die Anordnung des Sensors 4 und des Stromrichters 11 gelten auch für die Anordnung des Ausführungsbeispiels nach FIG 2.
  • Zusammenfassend betrifft die Erfindung eine Kompensationsvorrichtung 1 für eine elektrische Maschine 2. Zur Verbesserung eines elektrischen Antriebs wird vorgeschlagen, dass die Kompensationsvorrichtung 1 eine Energiequelle 3 aufweist, wobei die Energiequelle eingerichtet ist, in Abhängigkeit von Messwerten eines Sensors 4 zur Bestimmung von mindestens einer Oberschwingung ein elektrisches Signal, insbesondere eine Spannung oder einen Strom, zu erzeugen, das der Oberschwingung entgegenwirkt. Die Erfindung betrifft weiter einen elektrischen Antrieb 10, aufweisend eine derartige Kompensationsvorrichtung 1, eine elektrische Maschine 2 und einen Sensor zur Bestimmung von mindestens einer Oberschwingung an Anschlussklemmen 21 der elektrischen Maschine 2, wobei die Kompensationsvorrichtung 1 mit den Anschlussklemmen 21 der elektrischen Maschine 2 verbunden ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung oder Regelung einer derartigen Kompensationsvorrichtung 1 oder eines derartigen elektrischen Antriebs 10, wobei mindestens eine Oberschwingung an den Anschlussklemmen 21 der elektrischen Maschine 2 bestimmt wird, wobei mittels der Kompensationsvorrichtung 1 ein elektrisches Signal erzeugt wird, das der Oberschwingung an den Anschlussklemmen 21 der elektrischen Maschine 2 entgegenwirkt.

Claims (10)

  1. Kompensationsvorrichtung (1) für eine elektrische Maschine (2), wobei die Kompensationsvorrichtung (1) eine Energiequelle (3) aufweist, wobei die Energiequelle eingerichtet ist, in Abhängigkeit von Messwerten eines Sensors (4) zur Bestimmung von mindestens einer Oberschwingung ein elektrisches Signal, insbesondere eine Spannung oder einen Strom, zu erzeugen, das der Oberschwingung entgegenwirkt.
  2. Kompensationsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Kompensationsvorrichtung (1) ein Filter (5), insbesondere ein Bandpassfilter, aufweist.
  3. Elektrischer Antrieb (10), aufweisend
    - eine Kompensationsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
    - eine elektrische Maschine (2) und
    - einen Sensor zur Bestimmung von mindestens einer Oberschwingung, insbesondere einer Oberschwingung des Stroms oder der Spannung, an Anschlussklemmen (21) der elektrischen Maschine (2),
    wobei die Kompensationsvorrichtung (1) mit den Anschlussklemmen (21) der elektrischen Maschine (2) verbunden ist.
  4. Elektrischer Antrieb (10) nach Anspruch 3, wobei die Energiequelle (3) als Spannungsquelle (31) ausgebildet ist und in einer Reihenschaltung zu den Anschlussklemmen (21) der elektrischen Maschine (2) angeordnet ist.
  5. Elektrischer Antrieb (10) nach Anspruch 3, wobei die Energiequelle (3) als Stromquelle (32) ausgebildet ist und in einer Parallelschaltung zu den Anschlussklemmen (21) der elektrischen Maschine (2) angeordnet ist.
  6. Elektrischer Antrieb (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Energiequelle (3) über eine induktive Kopplung (33), insbesondere über einen Transformator, mit den Anschlussklemmen (21) der elektrischen Maschine (2) verbunden ist.
  7. Elektrischer Antrieb (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei der elektrische Antrieb (10) einen Stromrichter (11) umfasst, wobei die Anschlussklemmen (21) der elektrischen Maschine (2) mit dem Stromrichter (11) verbunden sind.
  8. Verfahren zur Steuerung oder Regelung einer Kompensationsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2 oder eines elektrischen Antriebs (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei mindestens eine Oberschwingung, insbesondere eine Oberschwingung des Stroms und/oder der Spannung, an den Anschlussklemmen (21) der elektrischen Maschine (2) bestimmt wird, wobei mittels der Kompensationsvorrichtung (1) ein elektrisches Signal, insbesondere eine Spannung oder ein Strom, erzeugt wird, das der Oberschwingung an den Anschlussklemmen (21) der elektrischen Maschine (2) entgegenwirkt.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei eine Oberschwingung mit dem 25-fachen der Frequenz der Grundschwingung bestimmt wird und durch ein elektrisches Signal der Kompensationsvorrichtung (1) verringert wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9 zur Steuerung oder Regelung eines elektrischen Antriebs (10) nach Anspruch 7, wobei die Oberschwingung im Bereich der Schaltfrequenz und/oder im Bereich eines Vielfachen der Schaltfrequenz des Stromrichters (11) bestimmt wird.
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